Feuchtemanagement

Befeuchtermembranen für das Wassermanagement in Brennstoffzellen

Ein Ansatz einer nachhaltigen Energiewirtschaft ist der Einsatz von Wasserstoff als Energieträger. Dieser kann mittels Elektrolyse z.B. durch fluktuierende erneuerbare Energie erzeugt und für mobile und auch stationäre Anwendungen verwendet werden, in dem mit Brennstoffzellen daraus elektrischer Strom erzeugt wird. Dabei spielt das Management des entstehenden Wassers eine wichtige Rolle für die Leistung und Lebensdauer der Brennstoffzelle. Membranbefeuchter können hierfür als externe Komponente genutzt werden, um die Ionomermembran in der Brennstoffzelle jederzeit vor Austrocknung zu schützen. Kommerzielle Membranbefeuchter erfüllen allerdings die sehr anspruchsvollen Anforderungen für automobile Anwendungen hinsichtlich Wassertransfer, Langzeitstabilität, Schadgastoleranz und Kosten nur unzureichend.

Teststände zur automatisierten Untersuchung von Befeuchtermembranen

Im Projekt AMBITION hat das Innovationsfeld Membranen am Fraunhofer IGB eine umfangreiche Infrastruktur (Abb. 1) und das entsprechende Know-how aufgebaut, um Befeuchtermembranen umfassend zu charakterisieren. So stehen mittlerweile insgesamt vier Teststände für Hohlfaser- (Abb. 2) und Flachmembranen (Abb. 3) zur Verfügung, um den Wassertransfer von Befeuchtermembranen in relevanten Parameterräumen automatisiert (24/7) zu bestimmen (Abb. 4). Weiterführend werden Gasleckage Tests und Langzeitstabilitätsuntersuchungen durchgeführt. Mit Hilfe dieser Daten können Membranen rational bewertet und auch unterschiedliche Geometrien miteinander verglichen werden. Dieses Know-how wird als Dienstleitung für Kunden angeboten.

Entwicklung von Befeuchtermembranen

Die vorhandene Infrastruktur zur Testung und unsere Membranexpertise wird aber auch genutzt, um Befeuchtermembranen im Projekt HIKS zielgerichtet zu entwickeln. Aufbauend auf den Vorarbeiten zu beschichteten Hohlfasermembranen [1, 2] können mittlerweile auch Flachmembranen mit geeigneten fluorfreien Polymeren auf einem Smartcoater der Fa. Coatema Rolle-zu-Rolle beschichtet werden. Ein Materialansatz ist dabei die Verwendung hydrophiler, ungeladener Polymere, die über geeignete Reaktionen quervernetzt werden (Abb. 5) [3]. Die so entwickelten Membranen stellen mit ihrer Befeuchterleistung eine gute Alternative zu kommerziell erhältlichen Membranen dar.

Teststand für die parallele Charakterisierung von drei Befeuchtermembranen.
© Fraunhofer IGB
Teststand für die parallele Charakterisierung von drei Befeuchtermembranen
Glasmodul für Hohlfasermembranen.
© Fraunhofer IGB
Glasmodul für Hohlfasermembranen
Flachmembranmodul
© Fraunhofer IGB
Flachmembranmodul
Typische Messkurve für den Wassertransfer bei einer Variation von Überströmung und Temperatur
Typische Messkurve für den Wassertransfer bei einer Variation von Überströmung und Temperatur
REM Aufnahme einer IGB-Flachmembran für die Befeuchtung
© Fraunhofer IGB
REM Aufnahme einer IGB-Flachmembran für die Befeuchtung

Publikationen

  1. Jesswein, I., Hirth, T., & Schiestel, T. (2017). Continuous dip coating of PVDF hollow fiber membranes with PVA for humidification. Journal of Membrane Science, 541, 281-290. doi:https://doi.org/10.1016/j.memsci.2017.07.010.
  2. Jesswein, I.; Uebele, S.; Dieterich, A.; Keller, S.; Hirth, T.; Schiestel, T. (2018) Influence of surface properties on the dip coating behaviour of hollow fiber membranes, J. App. Pol. Sci. DOI: 10.1002/APP.46163.
  3. Michele, A., Paschkowski, P., Hänel, C., Tovar, G. E. M., Schiestel, T., & Southan, A. (2021). Acid catalyzed cross-linking of polyvinyl alcohol for humidifier membranes. Journal of Applied Polymer Science, 51606. doi:https://doi.org/10.1002/app.51606.